CN110853973B - 一种大电流直流真空触头结构及其应用 - Google Patents

Abstract

一种大电流直流真空触头结构及其应用，该触头结构包括静侧触头组合结构和动侧触头组合结构；静侧触头组合结构包括静侧导电杆、焊接在静侧导电杆内部的静侧永磁体、焊接在静侧导电杆端部的静侧横向磁场杯状触头结构以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构端部的静侧环形结构触头片；动侧触头组合结构包括动侧导电杆、焊接在动侧导电杆内部的动侧永磁体、焊接在动侧导电杆端部的动侧横向磁场杯状触头结构以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构端部的动侧环形结构触头片；静侧永磁体和动侧永磁体朝向触头间隙的磁极为相同极性，以产生方向指向触头外部的强横向磁场；本发明实现了永磁体结构对于杯状触头间隙真空电弧的强横向磁场作用，在强横向磁场的作用下，完成直流电流的开断。

Description

一种大电流直流真空触头结构及其应用

技术领域

本发明属于真空断路器和真空直流开断技术领域，具体涉及一种大电流直流真空触头结构及其应用的大电流直流真空灭弧室和大电流直流真空接触器。

背景技术

伴随着轨道交通，新型能源、可再生能源构成的直流微电网等系统的大规模建设与发展，直流输配电系统迎来了一个快速发展的黄金时期。相较于交流供电系统，直流输配电技术在大容量、远距离输配电领域具有一定的优势。直流输电虽然理论已经比较成熟，但是相对于交流输电系统灵活多样的方式，直流输电技术的发展受到了很大的局限和制约，其主要原因就是缺乏体积小、便捷、可靠性高的中高压直流断路器。如何制造和完善以获得实用的直流断路器,是整个开关行业面临的一个技术难题。真空断路器凭借其体积小、维护简单、开断能力强、可靠性高等优势，在中压断路器领域占据了绝对优势。但是，考虑到直流系统中没有自然过零点，其真空断路器在直流系统的应用还面临巨大的挑战。随着真空断路器的快速发展，以及对于真空电弧理论及其应用研究的深入，为真空断路器在直流开断中的应用提出了新的契机和可能。

现有真空断路器主要应用于交流系统中，此外，真空开关在直流电流开断的拓扑结构中也有一定的应用，但是目前还没有实现真空断路器对于直流电流的直接开断。传统直流回路系统的电流开断方式一般有两种，一种是在外施磁场作用下当断路器在开断过程中的电弧电压高于系统电压时，直流电流开断成功；另一种是通过强制人工过零的方式实现直流电流开断，即在直流系统中增加反向放电回路，当短路电流流过时，反向放电回路闭合，直流系统电流过零。基于上述开断原理，目前已经提出了多种拓扑结构。

对于真空电弧的灭弧原理而言，如何大幅提高真空电弧的电压是实现其在直流系统开断中应用的关键。基于前期大量的研究和试验，结果表明较强的横向磁场持续对电弧弧柱进行作用是有效提高真空电弧电压、成功开断直流电流的关键。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，结合前期大量的研究和试验积累，本发明的目的在于提出一种大电流直流真空灭弧室触头结构及其应用的大电流直流真空灭弧室和大电流直流真空接触器，本发明为了能够使得真空灭弧室具有直流电流开断能力，需要依据真空电弧的燃弧特性，通过焊接在导电杆内部的永磁体产生的强横向磁场提高在燃弧过程中作用在电弧弧柱的磁场强度，增加真空电弧的电弧电压，以达到直流电流开断的需求。本发明极大地增强了作用于真空电弧的磁场的强度，提出了有效地真空电弧的直流开断方案。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种大电流直流真空触头结构，包括大电流直流真空静侧触头组合结构201和大电流直流真空动侧触头组合结构202；所述大电流直流真空静侧触头组合结构201包括静侧导电杆101、焊接在静侧导电杆101内部的静侧永磁体102、焊接在静侧导电杆101一端的静侧横向磁场杯状触头结构103以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构103端部的静侧环形结构触头片104；所述大电流直流真空动侧触头组合结构202包括动侧导电杆105、焊接在动侧导电杆105内部的动侧永磁体106、焊接在动侧导电杆105一端的动侧横向磁场杯状触头结构107以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构107端部的动侧环形结构触头片108；所述焊接在静侧导电杆101内部的静侧永磁体102和焊接在动侧导电杆105内部的动侧永磁体106朝向触头间隙的磁极为相同极性，以产生指向触头外部的强横向磁场；所述静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107的开槽旋转方向相同或相反。在燃弧过程中，在焊接在静侧导电杆101内部的静侧永磁体102和焊接在动侧导电杆105内部的动侧永磁体106配合产生的强横向磁场的作用下，使得大电流真空电弧弧柱沿环形结构触头片高速旋转运动。

所述静侧导电杆101和动侧导电杆105均是其中一端具有开口特性的管状结构，使得静侧导电杆101内部的静侧永磁体102和动侧导电杆105内部的动侧永磁体106可以在真空灭弧室加工完成密封之后，再行焊接和组装，，避免了真空灭弧室在加工过程中，高温对于永磁体的影响，实现了永磁体结构在大电流直流真空开断中的应用。

所述静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107所开槽口的数量一致或者不一致，即静侧横向磁场杯状触头结构103的开槽数量可以分别多于或者少于动侧横向磁场杯状触头结构107的开槽数量；静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107所开槽口旋转方向相同或相反，以根据需要形成纵向磁场触头结构和横向磁场触头结构。

所述静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107所开槽口的结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。

所述静侧环形结构触头片104和动侧环形结构触头片108的内径和外径与静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107的内径和外径分别一致或者不一致，即静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107的内径和外径可以分别大于或者小于静侧环形结构触头片103和动侧环形结构触头片104的内径和外径。

一种大电流直流真空灭弧室，包括所述的大电流直流真空触头结构，焊接在动侧导电杆105中部的波纹管110，焊接在静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107外部的屏蔽罩112，焊接在波纹管110下端的真空灭弧室动侧盖板111，焊接在真空灭弧室静侧盖板111边缘的包覆静侧触头组合结构202的真空灭弧室静侧瓷壳114；焊接在静侧导电杆101另一端的真空灭弧室静侧盖板113，焊接在真空灭弧室动侧盖板113边缘的包覆动侧触头组合结构201的真空灭弧室静侧瓷壳109。

当大电流直流真空触头打开，电弧开始燃烧时，直流真空电弧弧柱在触头间隙沿动侧环形结构触头片108和静侧环形开槽结构触头片104做圆周运动；通过焊接在静侧导电杆101内部的静侧永磁体102和焊接在动侧导电杆105内部的动侧永磁体106磁极的相互配合在触头间隙产生的强横向磁场的作用下，更有利于电弧弧柱的吹动，使直流真空电弧沿着动侧环形结构触头片108和静侧环形结构触头片104快速运动，电弧电压会发生明显升高，同时，永磁体产生的横向磁场将持续对直流真空电弧弧柱进行作用，保证了强磁场存在的持久性，因此，更有利于熄灭直流电弧，有助于成功开断直流。

一种大电流直流真空接触器，包括所述的大电流直流真空灭弧室401，连接在大电流直流真空灭弧室401动端端部的绝缘拉杆结构402，连接在绝缘拉杆结构402另一端的操动机构403。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明通过真空灭弧室结构的重新设计，使得永磁体加到了导电杆内部，而非陶瓷外壳的内侧，避免了在真空灭弧室加工过程中，高温对于永磁体的影响，实现了永磁体结构在直流真空灭弧室的应用。

2.本发明通过动、静触头开槽结构的配合，可以在触头间隙磁场作用，根据磁场类型可以分为，横向磁场触头结构和纵向磁场触头结构。开槽触头结构的设计，将加强磁场对于直流真空电弧的作用，有利于直流真空电弧的开断。

3.本发明通过动侧永磁体与静侧永磁体磁极的配合，将在触头间隙产生强横向磁场，在燃弧过程中，真空电弧在环形触头片上烧蚀和运动，永磁产生的强横向磁场将持续对真空电弧弧柱进行作用，从而在永磁体产生的持续的强横向磁场作用下，容易熄灭直流电弧，使得开断直流成功。

4.本发明极大地提高了大电流直流真空电弧电压，实现了真空开关对于直流电流的开断。

5.本发明结构简单，易于装配，可以极大地促进相关应用的真空灭弧室在直流领域的广泛应用。

附图说明

图1为本发明的一种大电流直流真空触头结构示意图。

图2为本发明的一种大电流直流真空触头结构轴向剖视图。

图3(a)为本发明的一种大电流直流真空触头结构中的静侧横向磁场杯状触头结构和静侧环形结构触头片结构俯视图。

图3(b)为本发明的一种大电流直流真空触头结构中的动侧横向磁场杯状触头结构和动侧环形结构触头片结构侧视图。

图3(c)为本发明的一种大电流直流真空触头结构中的动侧横向磁场杯状触头结构和动侧环形结构触头片结构斜视图。

图4为本发明的一种大电流直流真空灭弧室的剖视图。

图5为本发明的包含一种大电流直流真空灭弧室的直流真空接触器的示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

图1和图2分别是本发明的一种大电流直流真空触头结构的示意图以及轴向剖视图。如图1和图2所示，本发明提供的一种大电流直流真空触头结构，包括大电流直流真空静侧触头组合结构201和大电流直流真空动侧触头组合结构202；所述大电流直流真空静侧触头组合结构201包括静侧导电杆101、焊接在静侧导电杆101内部的静侧永磁体102、焊接在静侧导电杆101一端的静侧横向磁场杯状触头结构103以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构103端部的静侧环形结构触头片104；所述大电流直流真空动侧触头组合结构202包括动侧导电杆105、焊接在动侧导电杆105内部的动侧永磁体106、焊接在动侧导电杆105一端的动侧横向磁场杯状触头结构107以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构107端部的动侧环形结构触头片108；所述焊接在静侧导电杆内部的静侧永磁体102和焊接在动侧导电杆内部的动侧永磁体106朝向触头间隙的磁极为相同极性，以产生方向指向触头外部的强横向磁场；所述静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107的开槽旋转方向相同或相反，以形成纵向磁场触头结构或者横向磁场触头结构。

所述静侧导电杆101和动侧导电杆105均是其中一端具有开口特性的管状结构，使得静侧导电杆101内部的静侧永磁体102和动侧导电杆105内部的动侧永磁体106可以在真空灭弧室加工完成密封之后，再行焊接和组装，避免了真空灭弧室在加工过程中，高温对于永磁体的影响，实现了永磁体结构在大电流直流真空开断中的应用。

焊接在静侧导电杆101内部的静侧永磁体102和焊接在动侧导电杆105内部的动侧永磁体106朝向触头间隙的磁极为相同极性，以保证施加在真空电弧弧柱上的磁场为强横向磁场，从而在永磁体产生的强磁场作用下，容易熄灭直流电弧，以保障可以成功开断直流。

所述静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107均为杯状开槽触头结构，所开的槽口结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。所述静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107的开槽旋转方向相同或相反，以使得触头结构为纵向磁场触头结构或者横向磁场触头结构。所述静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107所开槽口的数量一致或者不一致。

图3(a)3(b)和图3(c)分别展示了本发明的一种大电流直流真空灭弧室触头结构中的动侧横向磁场杯状触头结构107和动侧环形结构触头片结构108的俯视图、侧视图和斜视图。如图3(a)所示，动侧环形结构触头片108为环形结构；使得动侧横向磁场杯状触头结构107的表面为一个连接的整体。

图4为本发明的一种大电流直流真空灭弧室的剖视图。如图4所示，一种大电流直流真空灭弧室，包括真空灭弧室内部的大电流直流真空静侧触头组合结构201和大电流直流真空动侧触头组合结构202；所述大电流直流真空静侧触头组合结构201包括静侧导电杆101、焊接在静侧导电杆101内部的静侧永磁体102、焊接在静侧导电杆101一端的静侧横向磁场杯状触头结构103以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构103端部的静侧环形结构触头片104；所述大电流直流真空动侧触头组合结构202包括动侧导电杆105、焊接在动侧导电杆105内部的动侧永磁体106、焊接在动侧导电杆105一端的动侧横向磁场杯状触头结构107以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构107端部的动侧环形结构触头片108；所述静侧横向磁场杯状触头结构103和动侧横向磁场杯状触头结构107的开槽旋转方向相同或相反，两者结构相互配合；所述焊接在静侧导电杆101内部的静侧永磁体102和焊接在动侧导电杆105内部的动侧永磁体106朝向触头间隙的磁极为相同极性。

图5是本发明的一种包含大电流直流真空灭弧室的大电流直流真空接触器示意图。如图5所示，一种包含大电流直流真空灭弧室的大电流直流真空接触器，包括大电流直流真空灭弧室401，连接在直流真空灭弧室401动端导杆的绝缘拉杆结构402，以及在绝缘拉杆结构402另一端连接的操动机构403。

本发明相比传统真空灭弧室及其应用的真空接触器具有两方面的优势：一方面，本发明通过真空灭弧室结构的重新设计，巧妙利用了一端具有开口特性的管状导电杆结构，将永磁体焊接在了导电杆内部的同时，避免了在真空灭弧室加工过程中，高温对于永磁体的影响，实现了永磁体结构在直流真空灭弧室的应用；另一方面，在真空灭弧室内部，使用了杯状触头结构，触头结构通过动、静触头开槽结构的配合，可以在触头间隙磁场作用，根据磁场类型可以分为，横向磁场触头结构和纵向磁场触头结构。在燃弧过程中，真空电弧在环形触头片上烧蚀和运动，永磁体产生的强横向磁场将持续对真空电弧弧柱进行作用，从而在永磁体产生的横向磁场作用下，容易熄灭直流电弧，成功开断直流，使得真空灭弧室具有直流电弧的开断能力。此外，本发明结构简单，易于装配，可以极大地促进相关应用的真空灭弧室在直流领域的广泛应用。

本发明不局限于上述优选实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明的教导对本发明做出修改和变化。所有这些修改和变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大电流直流真空触头结构，包括大电流直流真空静侧触头组合结构(201)和大电流直流真空动侧触头组合结构(202)；其特征在于：所述大电流直流真空静侧触头组合结构(201)包括静侧导电杆(101)、焊接在静侧导电杆(101)内部的静侧永磁体(102)、焊接在静侧导电杆(101)一端的静侧横向磁场杯状触头结构(103)以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构(103)端部的静侧环形结构触头片(104)；所述大电流直流真空动侧触头组合结构(202)包括动侧导电杆(105)、焊接在动侧导电杆(105)内部的动侧永磁体(106)、焊接在动侧导电杆(105)一端的动侧横向磁场杯状触头结构(107)以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构(107)端部的动侧环形结构触头片(108)；所述焊接在静侧导电杆内部的静侧永磁体(102)和焊接在动侧导电杆内部的动侧永磁体(106)朝向触头间隙的磁极为相同极性，以产生方向指向触头外部的强横向磁场；所述静侧横向磁场杯状触头结构(103)和动侧横向磁场杯状触头结构(107)的开槽旋转方向相同或相反，以形成纵向磁场触头结构或者横向磁场触头结构；

当大电流直流真空触头打开，电弧开始燃烧时，直流真空电弧弧柱在触头间隙沿动侧环形结构触头片(108)和静侧环形结构触头片(104)做圆周运动；通过焊接在静侧导电杆(101)内部的静侧永磁体(102)和焊接在动侧导电杆(105)内部的动侧永磁体(106)磁极的配合，在触头间隙形成持续的强横向磁场，更有利于电弧弧柱的吹动，使直流真空电弧沿着动侧环形结构触头片(108)和静侧环形结构触头片(104)快速运动；永磁体产生的强横向将持续对直流真空电弧弧柱进行作用，从而在永磁体产生的持续的强横向磁场作用下，更容易熄灭直流真空电弧，从而成功开断直流真空电弧；

所述静侧永磁体(102)和动侧永磁体(106)分别焊接在其中一端具有开口特性的管状结构的静侧导电杆(101)和动侧导电杆(105)内部，使得静侧永磁体(102)和动侧永磁体(106)在真空灭弧室加工完成密封之后，再行焊接和组装，避免了在加工过程中，高温对于永磁体的影响，实现了永磁体结构在大电流直流真空开断中的应用。

2.根据权利要求1所述的一种大电流直流真空触头结构，其特征在于：所述静侧横向磁场杯状触头结构(103)和动侧横向磁场杯状触头结构(107)所开槽口的数量一致或者不一致，静侧横向磁场杯状触头结构(103)和动侧横向磁场杯状触头结构(107)所开槽口旋转方向相同或相反，以根据需要形成纵向磁场触头结构和横向磁场触头结构。

3.根据权利要求1所述的一种大电流直流真空触头结构，其特征在于：所述静侧横向磁场杯状触头结构(103)和动侧横向磁场杯状触头结构(107)所开槽口的结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。

4.根据权利要求1所述的一种大电流直流真空触头结构，其特征在于：所述静侧环形结构触头片(104)和动侧环形结构触头片(108)的内径和外径与静侧横向磁场杯状触头结构(103)和动侧横向磁场杯状触头结构(107)的内径和外径分别一致或者不一致。

5.一种大电流直流真空灭弧室，其特征在于：包括权利要求1至4任一项所述的大电流直流真空触头结构，焊接在动侧导电杆(105)中部的波纹管(110)，焊接在静侧横向磁场杯状触头结构(103)和动侧横向磁场杯状触头结构(107)外部的屏蔽罩(112)，焊接在波纹管(110)下端的真空灭弧室动侧盖板(111)，焊接在真空灭弧室动侧盖板(111)边缘的包覆动侧触头组合结构(202)的真空灭弧室动侧瓷壳(114)；焊接在静侧导电杆(101)另一端的真空灭弧室静侧盖板(113)，焊接在真空灭弧室静侧盖板(113)边缘的包覆静侧触头组合结构(201)的真空灭弧室静侧瓷壳(109)。

6.一种大电流直流真空接触器，其特征在于：包括权利要求5所述的大电流直流真空灭弧室(401)，连接在大电流直流真空灭弧室(401)动端端部的绝缘拉杆结构(402)，连接在绝缘拉杆结构(402)另一端的操动机构(403)。

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